VERFAHREN UND ANORDNUNG ZUM RELATIVEN REFERENZIEREN EINES ZIELGASES IN EINEM OPTISCHEN MESSSYSTEM FÜR DIE LASERSPEKTROSKOPIE

Abstract

 Verfahren zum Betreiben eines optischen Messsystems (1) mit einer Wellenlängen abstimmbaren temperaturstabilisierten Laserlichtquelle (3) zur Messung der Konzentration einer Zielgaskomponente (ZG) in einem Messgas (2), wobei ein zu einer Wellenlänge λ_ZG einer Zielgas-Absorptionslinie korrespondierende aktuelle Grundstrom I_{DC_ZG,act} derart eingestellt wird, dass nach einer Kalibrierung der Wellenlängenabstand Δλ_DC zwischen Zielgas-Absorptionslinie einer Zielgaskomponente (ZG) und einer Referenzgas- Absorptionslinie einer Referenzgaskomponente (RG) aufrecht erhalten wird. Im Betrieb wird eine vorab bei der Kalibrierung definierte Temperaturdifferenz in der Laserlichtquelle (3), zwischen den zum Zeitpunkt der Kalibrierung gewählten Arbeitspunkten von Referenzgas (RG), mit einem Grundstrom I_{DC_RG,cal}, und der Zielgaskomponente (ZG), mit einem Grundstrom I_{DC_ZG,cal}, aufrecht erhalten, indem, in Abhängigkeit eines aktuellen Grundstroms I_{DC_RG,act} des Referenzsgases, der dafür nötige aktuelle Grundstrom I_{DC_ZG,act} für die Zielgaskomponente bestimmt wird. Die Anordnung beinhaltet ein Messsystem zur Durchführung des Verfahrens.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines optischen Messsystems zur Messung der Konzentration einer Zielgaskomponente (ZG) in einem Messgas, mit einer Wellenlängen abstimmbaren temperaturstabilisierten Laserlichtquelle, wobei ein zu einer Wellenlänge λ_ZG einer Zielgas-Absorptionslinie korrespondierender aktueller Grundstrom I_{DC_ZG,act} derart eingestellt wird, dass nach einer Kalibrierung der Wellenlängenabstand Δλ_DC zwischen der Wellenlänge λ_ZG der Zielgas-Absorptionslinie einer Zielgaskomponente (ZG) und der Wellenlänge λ_RG einer Referenzgas- Absorptionslinie einer ReferenzgasKomponente (RG) für unterschiedliche Werte des aktuellen Grundstroms I_{DC_ZG,act} der Zielgaskomponente (ZG) und des aktuellen Grundstroms I_{DC_RG,act} der Referenzgaskomponente (RG) aufrecht erhalten wird. Die Erfindung betrifft außerdem eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

[0002] Optische Messsysteme zur Messung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Messgas, basierend auf der Laser-Absorptionsspektroskopie (LAS) sind aus dem Stand der Technik in vielfältigen Ausführungsformen bekannt, ebenso eine Vielzahl von unterschiedlichen Verfahren zum Betreiben eines solchen optischen Messsystems, wie beispielsweise die Wellenlängen-Modulations-Spektroskopie (WMS) und die direkte Absorptionsspektroskopie (DAS). In der LAS spielen generell die exakte Einstellung der Laser-Wellenlänge auf die Wellenlänge der Absorptionsline des Zielgases eine wichtige Rolle. Üblicherweise wird bei der Kalibrierung die Laser-Wellenlänge über den Arbeitspunkt von Peltiertemperatur (Grund-Lasertemperatur) und des Grundstromes I_DC der Laserlichtquelle definiert. Langzeit-Veränderungen des Lasers und äußere Temperatureinflüsse führen jedoch dazu, dass trotz unverändertem Grundstrom I_DC eine andere Wellenlänge für den gewählten Arbeitspunkt resultiert, die von der Absorptionswellenlänge des Zielgases abweicht. Mit Grundstrom wird üblicherweise ein Gleichstrom (DC) bezeichnet, bei dem die Absorptionslinie ihr Maximum hat und um den bei Abtastung der Absorptionslinie größere und kleinere Stromwerte durchfahren werden. Als Folge führen diese Veränderungen auch dazu, dass die Sensor-Kalibrierung aus den Spezifikationsgrenzen läuft, was dann oft eine Neukalibrierung des optischen Messsystems erforderlich macht.

[0003] Um die Wellenlänge des Zielgases akkurat zu halten (insbesondere bei Abwesenheit des Zielgases), wird/werden meist eine/mehrere Absorptionsline(n) eines Referenzgases verwendet und das Prinzip des Line-Lockings angewandt. Das Referenzgas ist entweder quasi-permanent im Prozessgas enthalten oder wird beispielsweise in einer Küvette eingeschlossen, irgendwo im Sensor selbst untergebracht. Dabei kann z.B. die Küvette im Mess-Strahlengang oder in einem speziellen Referenzstrahlengang (benötigt einen Strahlteiler und eine weitere Photodiode) implementiert sein.

[0004] Oft ist es nicht möglich oder sinnvoll, das Zielgas selbst als Referenzgas zu verwenden, z.B. wenn dieses nicht langzeitstabil ist, mit diesem eine zu geringe Linienstärke verbunden ist, die aus einer zu kurzen Absorptionsstrecke resultiert und zu einem zu kleinen Absorptionssignal führt, oder zu gefährlich in der Herstellung bzw. im Betrieb ist.

[0005] Alternativ kann an Stelle des Zielgases ein anderes Gas (Referenzgas) verwendet werden, das in der Nähe einer Zielwellenlänge eine oder mehrere Absorptionslinie(n) aufweist. Beispielhaft wird auf die EP 2 307 876 B1 verwiesen. Bei diesem Patent werden beispielsweise zwei CH4 Gasabsorptionslinien verwendet, um die CO-Gasabsorptionslinie in deren Mitte exakt zu referenzieren. Oft ist jedoch der Tuningbereich der Laserlichtquelle ungenügend breit, um eine Zielgasabsorptionslinie derart akkurat zu referenzieren.

[0006] Die EP 2 307 876 B1 offenbart ein Verfahren zur Detektion mindestens eines Zielgases mittels Laserspektroskopie, mit einer Laserlichtquelle, deren Emissionswellenlänge monochrom und mittels einer Variation der Betriebstemperatur oder des Betriebsstroms abstimmbar ist. Dabei erfolgt zur Kalibrierung der Wellenlängenskala der Laserlichtquelle relativ zur variierten Betriebstemperatur oder zum variierten Betriebsstrom im Wellenlängenbereich einer Bande des mindestens einen Zielgases eine erste Abstimmung der Laserlichtquelle über eine erste Abstimmbreite, wobei mindestens zwei Absorptionslinien eines Referenzgases und mindestens eine Absorptionslinie des mindestens einen Zielgases enthalten sind. Anschließend erfolgt im Wellenlängenbereich der Bande des mindestens einen Zielgases eine zweite Abstimmung der Laserlichtquelle über eine zweite Abstimmbreite, wobei die zweite Abstimmbreite schmaler ist als die erste Abstimmbreite, und wobei mindestens eine der mindestens einen Absorptionslinie des mindestens einen Zielgases enthalten ist. Zielgas und Referenzgas sind unterschiedliche Gase. Hierbei wird die erste Abstimmung zur Kalibrierung des Laserstromes oder der Lasertemperatur mit der absoluten Wellenlängenskala einmalig und die zweite Abstimmung zur Detektion des mindestens einen Zielgases mehrfach hintereinander ausgeführt. Die zweite Abstimmbreite wird mit einem berechneten Absorptionsspektrum verglichen, wobei eine nicht-iterative Kurvenanpassung mit linearem Regressionsalgorithmus angewandt wird, um die Konzentration des mindestens einen Zielgases in einem Schritt zu berechnen. Dieses Vorgehen erfordert ein Referenzgas, das in der Nähe der Zielgasabsorptionslinie mindestens zwei Absorptionslinien aufweist, die im TuningBereich des Lasers liegen. Zudem ist dieses Vorgehen zeitintensiv, da zwei Referenzlinien detektiert und ausgewertet werden müssen.

[0007] Aus der DE 10 2013 202 289 A1 ist zur Ansteuerung einer wellenlängendurchstimmbaren Laserdiode in einem Spektrometer ohne ein Referenzgas bekannt, eine Leistung-Zeit-Funktion vorzugeben, entsprechend der die Laserdiode periodisch über einen Wellenlängenbereich durchgestimmt wird, indem aus der Leistung-Zeit-Funktion und Messwerten der an der Laserdiode anliegenden Spannung ein Stromverlauf ermittelt wird, mit dem die Laserdiode angesteuert wird. Dabei wird der Stromverlauf, mit dem die Laserdiode unmittelbar angesteuert wird, von einer Regeleinrichtung in Abhängigkeit von der Regelabweichung zwischen der Leistungsaufnahme (Ist-Größe) der Laserdiode und der vorgegebenen Leistung-Zeit-Funktion (Soll-Größe) erzeugt, wobei die an der Laserdiode anliegende Spannung und der Strom durch die Laserdiode kontinuierlich erfasst, z. B. gemessen, werden und durch Multiplikation der gemessenen Strom- und Spannungswerte laufend die Leistungsaufnahme der Laserdiode ermittelt wird. Dort wird kein Referenzgas verwendet, so dass sich bei der Änderung der Temperatur des Peltierelements (Peltiertemperatur), auf dem ein Laserchip angeordnet ist, und/oder der Außentemperatur trotz vorgegebener Leistungs-Zeit-Funktion ein anderer Wellenlängenlängenbereich erfasst wird. Für das Referenzieren eines Zielgases ist diese Methode zu ungenau. Zudem wird die gesamte Spannung über dem Laser gemessen, was für die Wellenlängenbestimmung zu ungenau ist.

[0008] Liegt bei der Verwendung eines Referenzgases nur eine Referenzgaslinie vor, die nicht die Zielgaslinie ist, so muss unbedingt sichergestellt sein, dass der Wellenlängen-Abstand Δλ_DC zwischen Zielgas und Referenzgas im Betrieb für unterschiedliche Laserströme, und damit unterschiedlichen Lasertemperaturen konstant gehalten wird. Zudem muss der Abstand auch unter Alterung des Lasers konstant bleiben. Prinzipiell könnte man einfach einen gewissen Wellenbereich abtasten. Allerdings ist die Nachweisgrenze aufgrund des vorhandenen Rauschens (Noise), resultierend aus z.B. optische Interferenzphänomene sowie das Vorhandensein von Absorptionslinien anderer Gase im gemessenen Spektrum stark begrenzt. Deshalb ist es wichtig, den Wellenlängenabstand sehr genau einzuhalten.

[0009] Typischerweise wird der Wellenlängen-Abstand zwischen Zielgas und Referenzgas durch einen konstanten Strom-Abstand ΔI eingestellt. Durch das nicht-lineare DC-Tuningverhalten des Lasers führt eine Verschiebung (Drift) des Arbeitspunktes, beispielsweise durch den Einfluss der Außentemperatur auf die Temperaturstabilisierung oder der Alterung des Lasers/Elektronik, zu einem Distanzfehler des Wellenlängen-Abstandes. Dies hat zur Folge, dass die Zielgaskomponente (Absorptionslinie des Zielgases) an einem falschen Ort vermutet wird. Daraus ergeben sich u.U. erhebliche Messfehler.

[0010] Davon ausgehend liegt der beanspruchten Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine andere genauere, effektive und einfach zu implementierende Möglichkeit vorzuschlagen, den Wellenlängen-Abstand zwischen Ziel- und Referenzgaslinie trotz sich ändernder Lasereigenschaften, z.B. Betriebsstrom, -temperatur, Langzeitdrift, konstant zu halten.

[0011] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Betreiben eines optischen Messsystems zur Messung der Konzentration einer Zielgaskomponente in einem Messgas, mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Anordnung in Form eines Messsystems gemäß Anspruch 6 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind den jeweiligen rückbezogenen Unteransprüchen zu entnehmen.

[0012] Der Erfindung liegt der Kerngedanke zugrunde, zur Berechnung der vermuteten Wellenlängen-Position des Zielgases anstatt eines festen Stromdifferenz-Wertes die Stromdifferenz so einzustellen, dass zwischen Referenz- und Zielgas-(peak)position d.h. zwischen den jeweiligen Absorptionslinien, eine vorab definierte Temperaturdifferenz aufrecht erhalten wird. Diese Temperaturdifferenz errechnet sich durch die Differenz der Temperaturen, die durch die jeweilig eingebrachten elektrischen Leistungen an einem Innenwiderstand der Laserlichtquelle an den Peakpositionen von Ziel- und Referenzgas zum Zeitpunkt der Kalibrierung erzeugt werden. Diese Temperaturdifferenz ist proportional zum Wellenlängenabstand der Absorptionslinien von Ziel- und Referenzgas, sodass durch diese Vorgehensweise sichergestellt wird, dass die Zielwellenlänge immer exakt bestimmbar ist.

[0013] Dieses Verfahren ermöglicht vorteilhafterweise zum Beispiel die einfache Realisierung von Anwendungen, bei denen Referenzgas- und Zielgasabsorptionslinien beträchtlich weit auseinanderliegen. Als Beispiel sei hier die Methan-Lecksuche genannt, wo neben CH₄ auch C₂H₆ (Ethan) gemessen werden muss, um sicherzustellen, dass es sich um Erdgas handelt. Als Referenzgas wird Methan verwendet (das in diesem Fall auch gleichzeitig das zweite Zielgas darstellt), welches zu diesem Zweck im Strahlengang des Lasers im Sensor untergebracht wird. Hierbei beträgt der Abstand zwischen Referenzgas (Methan) und Zielgas (Ethan), je nach den gewählten Absoptionslinien zwischen 0,6 und 1,0 nm. Da dieser Abstand beträchtlich ist, kann hier ein fester Stromwert nicht mehr verwendet werden. Ein weiterer Vorteil liegt in der besonders einfachen Kalibrierung im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten herkömmlichen Kalibrierungsverfahren.

[0014] Die nachfolgend verwendeten Abkürzungen RG bzw. ZG stehen für Referenzgas oder Referenzgaskomponente in einem Gas bzw. für Zielgas oder Zielgaskomponente in einem Messgas. Die benutzten Bezeichnungen DC bzw. AC sind allgemein gebräuchlich und damit dem Fachmann als Bezeichnungen für Gleichspannung/Gleichstrom bzw. Wechselspannung/Wechselstrom bekannt. Sie beziehen sich auf elektrische Ströme, Spannungen und/oder Leistungen, und geben den jeweiligen Typ an. Außerdem wird das Kürzel L für die Laserlichtquelle oder allgemein für Laser verwendet. Die Begriffe RG, ZG, DC, AC bzw. L dienen der Klarstellung in den Patentansprüchen und im allgemeinen Beschreibungsteil, insbesondere in den nachstehenden Formeln. Mit Grundstrom I_DC werden zusammenfassend alle den jeweiligen Betriebszuständen (Kalibrierung, aktueller Grundstrom) und zugehörigen Gasen (RG, ZG) entsprechenden Grundstöme bezeichnet. Die Indizes act und cal stehen für den jeweiligen aktuellen Wert bzw. kalibrierten Wert von Strom, Spannung, Temperatur, Innenwiderstand und Leistung.

[0015] Bei dem Verfahren wird erfindungsgemäß im Betrieb eine vorab bei der Kalibrierung definierte Temperaturdifferenz in der Laserlichtquelle, zwischen den zum Zeitpunkt der Kalibrierung gewählten Arbeitspunkten von Referenzsgas (RG), mit einem Grundstrom I_{DC_RG,cal}, und der Zielgaskomponente (ZG), mit einem Grundstrom I_{DC_ZG,cal}, aufrecht erhalten, indem, in Abhängigkeit eines aktuellen Grundstroms I_{DC_RG,act} des Referenzgases, der dafür nötige aktuelle Grundstrom I_{DC_ZG,act} für die Zielgaskomponente bestimmt wird.

[0016] Zur Bestimmung der jeweiligen Größen mit Referenzgas und Zielgas bei der Kalibrierung und der Messung werden die den Gasabsorptionslinien der Referenzgas- RG und der Zielgaskomponente ZG zugeordneten Grundströme I_{DC_RG,cal} und I_{DC_ZG,cal} bzw. I_{DC_RG,act} festgestellt, die zugehörigen elektrischen Leistungen P_{DC_RG,cal} und P_{DC_ZG,cal} bzw. P_{DC_RG,act} unter Berücksichtigung der Innenwiderstände R_{I_RG,cal} und R_{I_ZG,cal} bzw. R_{I_RG,act} der Laserlichtquelle bei diesen Grundströmen bestimmt. Aus P_{DC RG,cal} und P_{DC ZG,cal} wird die Leistungsdifferenz ΔP_DC,cal berechnet. Aus P_{DC RG,act} und - der Leistungsdifferenz ΔP_DC,cal wird die Leistung P_{DC ZG,act} ermittelt.

[0017] Vorzugsweise wird die Kalibrierung des Messsystems mit Referenzgas und Zielgas durchgeführt. Bei der Kalibrierung werden die den Gasabsorptionslinien der Referenzgas RG und der Zielgaskomponente ZG zugeordneten Grundströme I_{DC_RG,cal} und I_{DC_ZG,cal} festgestellt, die zugehörigen elektrischen Leistungen P_{DC_RG,cal} und P_{DC_ZG,cal} der Laserlichtquelle bestimmt und daraus eine Leistungsdifferenz ΔP_DC,cal festgelegt, die abgespeichert wird.

[0018] Erfindungsgemäß wird zudem im Betrieb des Messsystems dann die der Gasabsorptionslinie des Referenzgases zugeordnete elektrische Leistung P_{DC_RG,act} der Laserquelle aus dem aktuellen Grundstrom I_{DC_RG,act} und dem aktuellen Innenwiderstand R_{I_RG,act} ermittelt, indem zur Ermittlung des relevanten Grundstromes ein Strom-Scan über die Gasabsorptionslinie des Referenzgases ausgeführt wird, wobei die Spitzenposition (Peakposition) der Gasabsorptionslinie den aktuellen Grundstrom I_{DC_RG,act} ergibt. Die der Gasabsorptionslinie des Zielgases ZG zugeordnete elektrische Leistung P_{DC_ZG,act} der Laserquelle wird als Summe aus der elektrischen Leistung P_{DC_RG,act} und der Leistungsdifferenz ΔP_DC,cal bestimmt, und aus der so bestimmten elektrischen Leistung P_{DC_ZG,act} sowie dem Innenwiderstand R_{I_ZG,act} der Laserquelle der zugeordnete Grundstrom I_{DC_ZG,act} berechnet.

[0019] Mit anderen Worten heißt dies, dass bei der Kalibrierung die DC-Laserströme der Peak-Positionen von Referenzgas und Zielgas festgelegt werden, die elektrische DC-Leistung, die am Innenwiderstand des Lasers abfällt, für die beiden Peak-Positionen ermittelt wird, indem der Innenwiderstand des Lasers an der jeweiligen Stromposition oder alternativ auch eine äquivalente Größe erfasst wird, beispielsweise durch Lock-in-Technik. Der Innenwiderstand wird entweder aus der Strom-Spannungskennlinie der Laserspannung und Grundstrom oder durch Lock-in-Technik (Modulation des Lasers mit einem Strom I_AC mit einer Strom-Modulationsamplitude ΔI_AC und Messen von U_AC sowie anschließendem Bestimmen der ersten Fourierkomponente (1f) des U_AC-Signals und Division von UAC,1f durch ΔI_AC, wobei ΔI_AC auch eine äquivalente Größe sein kann) ermittelt. Zum Zeitpunkt der Kalibrierung wird die Leistungsdifferenz ΔP_DC,cal der DC-Leistungen oder mindestens eine äquivalente Größe ermittelt und im Sensor abgespeichert. Die Bestimmung der Leistungsdifferenz erfolgt vorzugsweise nach der nachfolgend aufgeführten Formel F 10. Alternativ können auch die in Formel F 10 angegebenen Größen im Sensor abgespeichert werden.

[0020] Im Betrieb des Messsystems wird die elektrische DC-Leistung, die am Innenwiderstand des Lasers abfällt, für die aktuelle Peakposition des Referenzgases bestimmt. Die Innenwiderstandsmessung kann insbesondere durch Lock-in-Technik realisiert werden. Da Drift den Arbeitspunkt verschieben kann wird die elektrische Leistung P_{DC_RG,act} regelmäßig neu berechnet (kann also nicht als fixer Wert angenommen werden). Des Weiteren wird die aktuelle elektrische Leistung an der Peakposition für das Zielgas durch Addition der aktuellen Leistung für den Referenzgaspeak und der Leistungsdifferenz bestimmt. Aus der aktuellen Leistung des Peaks für das Zielgas wird der DC-Strom für dessen Peakposition vorzugsweise gemäß nach der nachfolgend aufgeführten Formel F 11 ermittelt. Anschließend wird an der ermittelten Peakposition für das Zielgas der Mess-Scan für das Zielgas durchgeführt und hieraus die Gaskonzentration ermittelt. Der Grundstrom definiert die Position, bei der die Absorptionskennlinie ein Maximum hat. Um dieses Maximum herum wird eine Abtastung mit größeren und kleineren Stromwerten durchgeführt, um die Konzentration zu ermitteln.

[0021] Das vorgeschlagene Verfahren wird für die Erstkalibrierung des Messsystems durch den Hersteller genutzt und kann auch vom Anwender für eine eventuell nötige Nachkalibrierung eingesetzt werden.

[0022] Bei der Wellenlängen-Modulationsspektroskopie wird wie üblich eine wellenlängenabstimmbare temperaturstabilisierte Laserlichtquelle verwendet, welche eine zentrale Basiswellenlänge des Laserlichts der Laserlichtquelle periodisch durch Änderung des Grundstroms über eine interessierende Absorptionslinie der Gaskomponente an einem Arbeitspunkt variiert und gleichzeitig mit einer Frequenz (f) und einer bestimmbaren Amplitude mittels einer Modulationseinrichtung Wellenlängen-moduliert. Mit einem Lichtdetektor wird die Intensität des Laserlichtes nach dem Durchtritt durch das Messgas detektiert. Es wird eine Auswerteeinrichtung benutzt, die Mittel zur phasensensitiven Demodulation eines von dem Lichtdetektor erzeugten Messsignals bei der Frequenz (f) und/oder einer ihrer Harmonischen enthält, wobei die Laserlichtquelle mit einem Grundstrom I_DC und einem Modulationsstrom I_AC strommoduliert betrieben wird und einen Laserstrahl der Wellenlänge mit einer Wellenlängen-Modulationsamplitude Δλ_AC emittiert und die Wellenlängen-Modulationsamplitude Δλ_AC des Laserlichtes über eine variable Einstellung der Strom-Modulationsamplitude ΔI_AC konstant gehalten wird.

[0023] Langzeit-Veränderungen des Lasers können dazu führen, dass es nötig wird, die Grund-Lasertemperatur anzupassen. Hierbei ist jedoch auch eine Korrektur der zuvor berechneten Leistungsdifferenz ΔP_DC,cal nötig. Wird die Lasertemperatur verändert, so ist Formel F 15 der Formel F 11 für die Berechnung des Grundstroms I_{DC_ZG,act} vorzuziehen. Hierfür wird zum Zeitpunkt der Kalibrierung die Lasertemperatur abgespeichert.

[0024] Gemäß eines bevorzugten Verfahrensschritts werden für die Berechnung der elektrischen Leistung an den jeweiligen Grundströmen (für Ziel- und Referenzgas) die jeweiligen Innenwiderstände benötigt. Hierbei ist zu beachten, dass der exakte Innenwiderstand u.U. erst nach mehreren Messungen iteriert. Für die Iteration werden Widerstandswerte aus einer der vorhergehenden Messungen verwendet, wobei als anfänglicher Startwert der bei der Kalibrierung ermittelte Wert verwendet werden kann. Grundsätzlich kann auch ein auf Erfahrung basierender Schätzwert verwendet werden.

[0025] Vorzugsweise wird der Innenwiderstand R_I der Laserlichtquelle aus einer Spannung-Strom-Kennlinie der Laserlichtquelle bestimmt, bei der der Spannungsabfall U_L an der Laserlichtquelle abhängig von dem Grundstrom I_DC aufgenommen ist. Die jeweiligen Innenwiderstände werden bei der Peakposition von Referenzgas und Zielgas ermittelt. Die Spannung-Strom-Kennlinie der Laserlichtquelle wird üblicherweise erstmals bei der Kalibrierung des optischen Messsystems aufgenommen. Es ist dabei nicht erforderlich die gesamte Kurve zu messen, sondern nur in einem Bereich um den Arbeitspunkt herum, um aus der Steigung in diesem Bereich den jeweiligen Innenwiderstand R_I korrekt, zu bestimmen. Dabei können in dem Bereich eine Vielzahl von Messungen durchgeführt und das Ergebnis gemittelt werden. Alternativ kann die Steigung auch mittels Lock-in-Technik ermittelt werden mit dem Vorteil, dass eine Rauschreduzierung erreicht wird. Die Ermittlung der Widerstandwerte erfolgt regelmäßig auch beim Betrieb, vorzugsweise werden diese bei jeder Konzentrationsmessung neu bestimmt.

[0026] Bei der Kalibrierung und im regulären Betrieb des optischen Messsystems wird zur Konzentrationsbestimmung einer Zielgaskomponente vorzugsweise eine Auswerteeinrichtung mit Lock-in-Technik verwendet, um in bekannter Art und Weise eine Rauschreduzierung zu erreichen, um insbesondere das vom 1/f-Signal bedingte Rauschen deutlich zu mindern. Bei einem Lock-in-Verstärker, der auch manchmal als phasenempfindlicher Gleichrichter oder Trägerfrequenzverstärker bezeichnet wird, handelt es sich um einen Verstärker zur Messung eines schwachen elektrischen Wechselsignals, das mit einem in Frequenz und Phase bekannten Referenzsignal moduliert ist. Das Gerät stellt einen extrem schmalbandigen Bandpassfilter dar und verbessert dadurch das Signal-RauschVerhältnis. Der Vorteil beim Einsatz eines solchen Gerätes liegt darin, dass Gleichspannungen und Wechselspannungen anderer Frequenz und Rauschen effizient gefiltert werden.

[0027] Das vorstehend beschriebene Verfahren basiert erfindungsgemäß auf den nachfolgend stehenden Formeln. Diese werden bei der Kalibrierung und oder im Betrieb verwendet. Werte aus der Kalibrierung sind mit "_cal" und Werte aus dem Betrieb mit "_act" gekennzeichnet.

[0028] Bisher wird die aktuelle Strom-Position des Zielgases (ZG) relativ durch die Position des Referenzgases (RG) durch folgende Formel bestimmt:

wobei ΔI ein fester Stromwert ist, der während der Kalibrierung festgelegt wird:

[0029] Aufgrund des oben erwähnten nicht-linearen DC-Tuningverhaltens des Lasers ist dieses Vorgehen zur Bestimmung der Position des ZG ist nicht genau genug. Aus

ist ersichtlich, dass sich eine Wellenlängen-Änderung durch eine Temperaturänderung beschreiben lässt, wobei n_eff die effektive Brechzahl und L_eff die effektive Resonatorlänge des Lasers ist. Unter Berücksichtigung, dass der 1. Term auf der rechten Seite der obiger Formel dominant gegenüber dem 2. Term ist, ergibt sich eine Wellenlängenänderung zu:

[0030] Zur Berechnung der vermuteten Position des Zielgases wird anstelle eines festen Stromdifferenz-Wertes (der bei der Kalibrierung nach Formel F 2 bestimmt wurde) die Stromdifferenz im laufenden Betrieb derart eingestellt, dass zwischen Referenz- und Zielgas(peak)position eine definierte Temperaturdifferenz ΔT_act aufrechterhalten wird. Somit ergibt sich folgende Temperatur an der aktuellen Position des Zielgases:

wobei sich die Temperatur an der Position des Referenzgas-Peaks ergibt zu:

wobei die elektrische Leistung über den thermischen Widerstand R_th,act in die Temperatur T_RG,act umgewandelt wird und die Leistung P_{DC_RG,act} durch den Laserstrom I_{DC_RG,act} im Innenwiderstand R_IRG,act produziert wird.

[0031] Die aktuelle Temperatur T_ZG,act an der Position des Zielgas-Peaks ist dabei mit dem gesuchten Laserstrom I_{DC_ZG,act} über den thermischen und elektrischen Widerstand gekoppelt:

[0032] Bei sich während des Betriebes nicht ändernder Lasertemperatur gilt:

[0033] Die erwähnte Temperaturdifferenz ΔT_cal errechnet sich als Differenz der Temperaturen, die durch die jeweilig eingebrachten elektrischen Leistungen am Innenwiderstand an den Peakpositionen von Ziel- und Referenzgas zum Zeitpunkt der Kalibrierung erzeugt werden. Da die Temperaturdifferenz proportional zur Wellenlängendifferenz zwischen ZG und RG ist, wird durch dieses Vorgehen sichergestellt, dass die Zielwellenlänge immer genau bestimmt wird.

[0034] Durch einsetzen der Formeln (F 6), (F 7) und (F 8) in Formel (F 5) ergibt der gesuchte Laserstrom an der Position des Zielgases:

wobei sich mit den Werten zum Zeitpunkt der Kalibrierung eine Leistungsdifferenz ("fixed power") ergibt:

[0035] Unter der Annahme, dass sich der thermische Widerstand während des Betriebes nicht ändert (R_th,act = R_th,cal) ergibt sich für die Peakposition des Zielgases:

[0036] Formel (F11) kann auch wie folgt geschrieben werden:

[0037] Hierbei ist zu bemerken, dass der exakte Innenwiderstand R_IZG,act zunächst nicht bekannt ist (da er ja an der Stelle I_{DC_ZG,act}) gemessen werden müsste. Nach mehrmaligem Durchlaufen der Formel oder nach mehreren Messungen iteriert der Wert jedoch sehr schnell und der Innenwiderstand R_IZG,act wird korrekt an der Stelle I_{DC_ZG,act} ermittelt.

[0038] Ändert sich zusätzlich der Arbeitspunkt der Grund-Lasertemperatur T_L (z.B. wird die Peltiertemperatur während des Betriebes angepasst, um zu große Wellenlängenverschiebungen auf der Stromskala durch Anpassung der Grund-Laser-Temperatur zu kompensieren), so ergibt sich aus der Temperaturänderungsbedingung:

die folgende Beziehung für die aktuelle Temperaturdifferenz:

wobei die Temperaturen in Kelvin einzusetzen sind. Der resultierende Strom ergibt sich zu:

[0039] Kann eine Änderung des thermischen Widerstandes vernachlässigt werden, so ergibt sich wiederum:

[0040] Es ist allgemein bekannt, dass jedes Laserlichtquellen-Schaltbild durch ein Ersatzschaltbild ersetzt werden kann, das einen Laseremitter (aktive Zone) und einen dazu in Serie geschalteten Innenwiderstand R_I umfasst. Sobald durch die Laserlichtquelle ein Grundstrom I_DC fließt, liegt an der Laserlichtquelle eine Spannung U_L an, die zum Teil am Laseremitter als Teilspannung U_E und an dem Innenwiderstand R_I als Teilspannung U_RI abfällt, wobei U_E je nach Lasertyp (mit Telekom-naher Wellenlänge) einen Wert von typisch 0.9 - 1.1 V aufweist. Im Falle von WMS wird zusätzlich ein Modulationsstrom I_AC zum Grundstrom addiert, welcher jedoch auf dieses Verfahren keine Auswirkungen hat, da sich die Temperaturänderungen zeitlich herausmitteln.

[0041] Die aktuelle DC-Leistung an der Position des Referenzgas-Peaks errechnet sich aus dem Grundstrom I_{DC_RG,act} der durch die Laserlichtquelle fließt und dem am Innenwiderstand R_{I_RG,act} auftretenden Spannungsabfall U_{RI_RG,act} als

[0042] Die Kalibrierung des optischen Messsystems erfolgt weitgehend nach der üblichen dem Fachmann geläufigen Methode mittels eines bekannten Referenzgases, das auch ein Zielgas sein kann und dem eigentlichen Zielgas selbst. Zunächst wird für die Festlegung des Arbeitspunktes der Laserlichtquelle die Temperatur der temperaturstabilisierten Laserlichtquelle solange verändert, bis die Absorptionssignale für das Referenz- und Zielgas an einem gewünschten Arbeitspunkt detektiert werden. Anschließend wird die Leistungsdifferenz ermittelt und abgespeichert.

[0043] Die erfindungsgemäße Anordnung besteht aus einem Messsystem zur Durchführung des Verfahrens mit einer Modulationseinrichtung (4) zur Bereitstellung des Grundstromes I_DC für die Laserlichtquelle, einer Aufnahme für das Messgas und einem Lichtdetektor sowie einer mit dem Lichtdetektor und der Modulationseinrichtung verbundenen Auswerteeinheit (6), Mittel zur Erfassung der an der Laserlichtquelle anliegenden Spannung, Mittel zur Erfassung der Lasergrundtemperatur, Mittel zur Ermittlung des Innenwiderstandes der Laserlichtquelle sowie Mittel zur Steuerung der Grundströme I_DC für Referenzgas (RG) und Zielgas (ZG). Besonders bevorzugt ist das Referenzgas im Strahlengang des Lasers im Sensor angeordnet, so dass der von der Laserlichtquelle emittierte Laserstrahl zuerst durch das Referenzgas und anschließend durch das Messgas zum Lichtdetektor gelangt. Dies ermöglicht eine äußerst kompakten Aufbau des gesamten Messsystems und die Herstellung von einfach zu handhabenden und zu transportierenden Gasdetektionseinrichtungen.

[0044] Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar. Zur Ausführung der Erfindung müssen nicht alle Merkmale des Anspruchs 1 oder 6 verwirklicht sein. Auch können einzelne Merkmale der unabhängigen oder nebengeordneten Ansprüche durch andere offenbarte Merkmale oder Merkmalskombinationen ersetzt werden.

[0045] Nachfolgend wird die Erfindung an Hand der beigefügten Zeichnungen nochmals näher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:

Figur 1

ein für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignetes optisches Messsystem;

Figur 2

das Ersatzschaltbild für die Laserlichtquelle;

Figur 3

eine aufgenommene Spannungs-Strom-Kennlinie zur Bestimmung des Innenwiderstandes der Laserlichtquelle;

Figur 4

die Wellenlänge λ_I als Funktion des Stromes mit einer schematischen Darstellung der Zielgas-Position und der Referenzgas-Position mit festem Stromabstand zwischen vom Referenzgas-Peak und dem Zielgas-Peak, bei einer bestimmten Temperatur und deren Verschiebung durch Temperaturdrift;

Figur 5

eine Messkurve für Methan als Referenzgas, gleichzeitig auch ein weiteres Zielgas und Ethan als Zielgas, bei der Zieltemperatur (durchgezogene Linie) und nach dem Drift (gestrichelte Linie) durch Änderung der Lasertemperatur;

Figur 6

der Distanzfehler zum Zielgaspeak gegenüber der Drift des Referenzgaspeaks, gemessen mit fester Stromdifferenz und fester Temperaturdifferenz an einem Beispiel; und

Figur 7

ein Ablaufschema für die Fixierung des Wellenlängen-Abstandes zu einer Referenzwellenlänge.

[0046] Die Figur 1 zeigt schematisch den prinzipiellen Aufbau eines optischen Messsystems 1 zur Messung der Konzentration einer Zielgaskomponente ZG in einem Messgas 2, basierend auf der Wellenlängen-Modulationsspektroskopie (WMS). Das Messsystem 1 weist eine wellenlängenabstimmbare temperaturstabilisierte Laserlichtquelle 3, eine Modulationseinrichtung 4, einen Lichtdetektor 5, und eine elektronische Auswerteeinrichtung 6 auf. Die Laserlichtquelle 3 emittiert einen Laserstrahl 7 mit einer Wellenlänge λ_DC mit einer Wellenlängen-Modulationsamplitude Δλ_AC. Die Modulationseinrichtung 4 variiert die Wellenlänge des Laserlichts der Laserlichtquelle 3 periodisch über Referenzgasabsorptionsline und Zielgasabsorptionslinie an einem Arbeitspunkt und moduliert diese zudem gleichzeitig dreiecksförmig mit einer Frequenz (f) und einer einstellbaren Amplitude. Sie beinhaltet zudem mindestens eine DC- und/oder AC-Spannungsquelle oder eine DC- und AC-Stromquelle 4a und zugeordnete Modulationsmittel 4b zum Betrieb der Laserlichtquelle 3. Damit kann der jeweilige Grundstrom I_DC und der Modulationsstrom I_AC variabel eingestellt werden. Die Modulationseinrichtung 4 ist direkt mit der Laserlichtquelle 3 verbunden. Der Lichtdetektor 5 erfasst den von der Laserlichtquelle 3 ausgehenden Laserstrahl 7, nachdem dieser das in einer Messkammer 11 befindliche Messgas 2 passiert hat, und erzeugt ein Empfangssignal, das von der Intensität des Laserlichtes nach dem Durchtritt durch das Messgas 2 abhängig ist und der Auswerteinheit 6 zugeführt wird. Die Auswerteinheit 6 umfasst Mittel zur phasensensitiven Demodulation eines von dem Lichtdetektor 5 erzeugten Messsignals bei der Frequenz (f) und/oder einer ihrer Harmonischen. Die Auswerteinheit 6 weist zwei Lock-in-Verstärker 6a, 6b und eine Recheneinheit 6c auf. Die Recheneinheit 6c wertet das demodulierte Empfangssignal des Lichtdetektors 5 aus. Des Weiteren führt eine elektrische Verbindungsleitung 9 zu dem Lock-in-Verstärker 6b, mit der die an der Laserlichtquelle 3 anliegende Spannung erfasst und der Innenwiderstand bestimmt wird. Davon abhängig werden die Grundströme I_DC und Modulationsströme für Referenz- und Zielgas mittels der Modulationseinrichtung 4 gesteuert, um den Wellenlängenabstand zwischen Referenz- und Zielgas konstant zu halten. Dazu sindelektrische Steuerleitungen 8 und 10 von der Auswerteinheit 6 zu der Modulationseinrichtung 4 vorgesehen. Bei der Auswertung werden unter anderem primär die vorstehend aufgeführten Formeln F 11 oder F 15 zusammen mit F 10 verwendet. Über die Leitung 12 wird die Peltiertemperatur zu der Auswerteinheit 6 übertragen. Bei der Kalibrierung ist in diesem Ausführungsbeispiel das Referenzgas RG permanent im Strahlengang vorhanden. Die Zielgaskomponente ZG wird dann in die Messgaskammer 11 eingeleitet.

[0047] Die Figur 2 stellt das Ersatzschaltbild für die Laserlichtquelle 3 dar. Die Laserlichtquelle 3 kann demnach durch einen Lichtemitter 3a und einen dazu seriell angeordneten Innenwiderstand R_I, 3b rechnerisch ersetzt werden. Die Laserlichtquelle 3 wird mit einem Grundstrom I_DC und einem Modulationsstrom I_AC strommoduliert betrieben. An der Laserlichtquelle 3 liegt Spannung U_L an, die jeweils teilweise an dem Innenwiderstand 3b als Teilspannung U_RI und am Lichtemitter 3a als Teilspannung U_E abfällt.

[0048] Die Figur 3 veranschaulicht eine bei der Kalibrierung des optischen Messsystems 1 aufgenommene Strom/Spannungskennlinie 10 zur Bestimmung des Innenwiderstandes R_{I RG} der Laserlichtquelle 3 am Ort des Referenzgases. Der Innenwiderstand R_{I RG} wird aus der Beziehung der Strom-Spannungs-Charakteristik der Laserlichtquelle 3 im Arbeitspunkt 12 I_{DC_RG,cal} für RG bestimmt. Dazu ist die Strom-Spannungs-Kennlinie 10 (durchgezogene Linie) mit linearer Approximationslinie 11 (gestrichelte Linie) im Arbeitspunkt 12 zur Bestimmung des Innenwiderstandes R_{I RG} am Ort des Referenzgases versehen. Die Steigung der Approximationslinie 11 entspricht dem Innenwiderstande R_I, 3b am Arbeitspunkt 12 mit R_{I RG}. Analoges Vorgehen wird am Ort des Zielgases zur Ermittlung von R_{I ZG} angewendet.

[0049] Die Figur 4 verbildlicht in schematischer Darstellung beispielhaft die Wellenlängen-Position eines Zielgases und die eines Referenzgases bei einer bestimmten Ziel-Temperatur, wobei die beiden Positionen zueinander einen definierten Wellenlängenabstand Δλ_DC aufweisen, der über die DC-Tunability-Kurve zu einem Stromabstand ΔI führt. Die Absorptionslinien sind für die Ziel-Temperatur durchgezogenen und für einen durch reduzierte Ziel-Temperatur induzierten Drift gestrichelt dargestellt. Typischerweise wird der Wellenlängen-Abstand Δλ_DC durch einen konstanten Strom-Abstand ΔI eingestellt. Durch das nicht-lineare DC-Tuningverhalten des Lasers führt eine Verschiebung (Drift) des Arbeitspunktes, beispielsweise durch Einfluss der Außentemperatur des Sensors auf die Temperaturstabilisierung oder der Alterung des Lasers/Elektronik zu einem Distanzfehler AI_F für die Position des Gaspeaks des Zielgases GZ, sodass daraus Messfehler resultieren. Die Figur zeigt schematisch die Position des Referenz- und des Zielgases zum Zeitpunkt der Kalibrierung. Durch Drift wird die Position der Referenzgaslinie verschoben. Aufgrund des nichtlinearen Zusammenhangs zwischen Wellenlänge und Laserstroms ergibt sich bei einer festen Stromdistanz ΔI eine Differenz, d.h. ein falsche Wellenlänge mit einem Wellenlängendistanz-Fehler Δλ_F, d.h. ein Distanzfehler zwischen dem berechneten und der tatsächlichen Zielgas-Position. Im günstigsten Fall ist der Fehler klein (typ. <20 µA) und der Sensor ist immer noch innerhalb seiner Spezifikationen bezüglich Genauigkeit der Konzentration. Wird der Fehler grösser, steigt der Fehler überlinear an. Im Extremfall wird der Peak nicht einmal mehr im Tuningbereich liegen (in Fig 4 wird beispielsweise das Zielgas gar nicht mehr gemessen). Je grösser der Abstand zwischen Referenz- und Zielgas ist, desto geringer muss nach dieser Methode der erlaubte Drift sein, andernfalls ist der Distanzfehler >20 µA. An Pos.1 liegt die tatsächliche Zielgas-Position (zugehöriger Grundstrom) und an Pos.2 die über die Formeln F 1 bis F 2 berechnete Zielgas-Position (zugehöriger Grundstrom). Diese beiden Zielgas-Positionen weichen um den Distanzfehler ΔI_F voneinander ab. Zu beachten ist, dass die DC-Tunability-Kurve selbst unbeeinträchtigt durch einen Drift gezeichnet ist. In der Realität kann sich auch die DC-Tunability-Kurve selbst mit einem Langzeitdrift ändern.

[0050] In der Figur 5 ist beispielhaft eine Messkurve, d.h. ein Spektrum für Methan CH₄ mit einer niedrigeren Spitze als Referenzgas und Ethan C₂H₆ als Zielgas mit einer höheren Spitze, bei einer bestimmten Zieltemperatur (durchgezogene Linie G 1) und von der Zieltemperatur abweichenden Temperatur (gestrichelte Linie G 2) dargestellt. Die Abweichung der Linie G 1 von der Linie G 2 ist durch eine Änderung der Lasertemperatur bedingt und soll den Einfluss von Drift auf den Abstand der Gaspeaks veranschaulichen. Beispielhaft wird gezeigt, welcher Distanzfehler ΔI_F resultiert, wenn von einem Referenzgaspeak ausgehend (hier CH₄) mit fester Stromdistanz ein Zielgas (Ethan C₂H₆) bei geringfügig unterschiedlicher Lasertemperatur gemessen wird. Durch die Temperaturreduktion ergibt sich eine Verschiebung des Referenzgaspeaks um 0.96 mA. Es ist zu erkennen, dass der tatsächliche Abstand von Referenzpeak und Zielgaspeak von 1.669 mA auf 1.568 mA abgenommen hat. Wie bereits vorstehend erwähnt, ist dies durch die nicht-lineare DC-Tunability der Laserlichtquelle hervorgerufen. Es ergibt sich somit ein DistanzfehlerΔI_F von ca. 100 µA. Wendet man die vorgeschlagene Methode mit fester Temperaturänderung an (Formel (F 15)), so ergibt sich ein Distanzfehler ΔI_F von nur 10 µA (Figur 6). Dies führt dazu, dass das Zielgassignal korrekt ausgewertet werden kann.

[0051] Figur 6 verdeutlicht die Abhängigkeit der Distanzfehler ΔI_F von den Driftwerten an Hand eines Beispiels. Dieses zeigt für verschiedene Driftwerte den Distanzfehler ΔI_F für die Verwendung einer festen Stromdifferenz nach Formel (F 1) und fester Temperaturdifferenz nach Formel (F 15). Die Werte basierend auf der Formel F 1 sind als Punkte P 1 und die Werte basierend auf Formel F 15 als Kreuze P 2 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass mit der vorgeschlagenen Methode der Distanzfehler ΔI_F des Grundstromes I_DC nie grösser als 20 µA wird, was genügend klein ist, um sicherzustellen, dass die gemessene Konzentration innerhalb der Spezifikationen bleibt.

[0052] Figur 7 veranschaulicht ein Ablaufschema für die Fixierung des Wellenlängen-Abstandes zu einer Referenzwellenlänge. Dabei werden in einem ersten Verfahrensschritt S1, d.h. bei der Kalibrierung des Messsystems 1, zum Einen die DC-Grundströme der Peak-Positionen von Referenzgas und Zielgas festgelegt und zum Zweiten die elektrische DC-Leistung, die am Innenwiderstand des Lasers abfällt, wird für die beiden Peak-Positionen ermittelt, indem der Innenwiderstand des Lasers an der jeweiligen Stromposition bestimmt wird. Zum Dritten wird die Leistungsdifferenz ΔP_DC,cal der DC-Leistungen ermittelt und im Sensor abgespeichert.

[0053] In dem darauf folgenden zweiten Verfahrensschritt S2, d.h. beim Betrieb des Messsystem 1, wird zunächst die elektrische DC-Leistung, die am Innenwiderstand des Lasers abfällt, für die aktuelle Peakposition des Referenzgases durch das Messen des Innenwiderstandes durch Lock-in-Technik bestimmt, dann die aktuelle elektrische DC-Leistung an der Peakposition für das Zielgas durch Addition der aktuellen DC-Leistung für den Referenzgaspeak und der bei der Kalibrierung ermittelten DC-Leistungsdifferenz zwischen dem Referenzgas und dem Zielgas berechnet. Anschließend wird der DC-Strom für dessen Peakposition ermittelt, wobei hierfür nach Formel F 11 oder F 15 der Innenwiderstand des Zielgases aus einer der vorhergehenden Messung Verwendung findet, wobei der Startwert der bei der Kalibrierung ermittelte Wert ist. Im Falle von Verwendung von F 15 wird zusätzlich das Verhältnis der aktuellen Lasertemperatur zur Kalibrier-Lasertemperatur verwendet. Zum Zeitpunkt der Kalibrierung wird die Lasertemperatur abgespeichert.

[0054] In dem anschließenden dritten Verfahrensschritt S3 wird anhand der ermittelten Peakposition für das Zielgas der eigentliche Mess-Scan für das Zielgas durchgeführt und hieraus die Gaskonzentration ermittelt.

[0055] Die Verfahrensschritte S2 mit S3 werden vorzugsweise in einer Schleife mehrfach ausgeführt, wobei zwischen den Verfahrensdurchläufen der Grundstrom I_{DC_ZG} für die Zielgas Position angepasst werden kann, wenn der aktuelle Grundstrom I_{DC_ZG,act} von dem idealen Grundstrom I_{DC_ZG.cal}, der bei der Kalibrierung des optischen Messsystems ermittelt worden ist, abweicht.

Ansprüche

1. Verfahren zum Betreiben eines optischen Messsystems (1) mit einer Wellenlängen abstimmbaren temperaturstabilisierten Laserlichtquelle (3) zur Messung der Konzentration einer Zielgaskomponente (ZG) in einem Messgas (2), wobei ein zu einer Wellenlänge λ_ZG einer Zielgas-Absorptionslinie korrespondierende aktuelle Grundstrom I_{DC_ZG,act} derart eingestellt wird, dass nach einer Kalibrierung der Wellenlängenabstand Δλ_DC zwischen der Wellenlänge λ_ZG der Zielgas-Absorptionslinie einer Zielgaskomponente (ZG) und der Wellenlänge λ_RG einer Referenzgas-Absorptionslinie einer Referenzgaskomponente (RG) für beliebige Werte des aktuellen Grundstroms I_{DC_ZG,act} der Zielgaskomponente (ZG) und des aktuellen Grundstroms I_{DC_RG,act} der Referenzgaskomponente (RG) aufrecht erhalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass
im Betrieb eine vorab bei der Kalibrierung definierte Temperaturdifferenz in der Laserlichtquelle (3), zwischen den zum Zeitpunkt der Kalibrierung gewählten Arbeitspunkten von Referenzgas (RG), mit einem bei der Kalibrierung ermittelten Grundstrom I_{DC_RG,cal}, und Zielgas (ZG), mit einem bei der Kalibrierung ermittelten Grundstrom I_{DC_ZG,cal}, aufrecht erhalten wird, indem, in Abhängigkeit des aktuellen Grundstroms I_{DC_RG,act} des Referenzgases (RG), der dafür nötige aktuelle Grundstrom I_{DC_ZG,act} für das Zielgas (ZG) bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die Kalibrierung des Messsystems (1) mit einem Referenzgas und einem Zielgas durchgeführt wird und bei der Kalibrierung
die den Gasabsorptionslinien des Referenzgases (RG) und des Zielgases (ZG) zugeordneten Grundströme I_{DC_RG,cal} und I_{DC_ZG,cal} festgestellt werden, und
die zugehörigen elektrischen Leistungen P_{DC_RG,cal} und P_{DC_ZG,cal} der Laserlichtquelle (3) aus den Grundströmen I_{DC_RG,cal} und I_{DC_ZG,cal} sowie den zugehörigen Innenwiderständen R_{I_RG,cal} und R_{I_ZG,cal} bestimmt werden und daraus eine Leistungsdifferenz ΔP_DC,cal festgelegt und diese und/oder eine oder mehrere äquivalente Größe/n im Messsystem (1) abgespeichert wird,
und dass beim Betrieb des Messsystems (1)
die der Gasabsorptionslinie des Referenzgases zugeordnete aktuelle elektrische Leistung P_{DC_RG,act} der Laserquelle (3) aus dem aktuellen Grundstrom I_{DC_RG,act} und dem aktuellen Innenwiderstand R_{I_RG,act} ermittelt wird,
die der Gasabsorptionslinie des Zielgases zugeordnete aktuellen elektrische Leistung P_{DC_ZG,act} der Laserquelle (3) als Summe aus der aktuellen elektrischen Leistung P_{DC_RG,act} und der Leistungsdifferenz ΔP_DC,cal bestimmt wird, und aus der so bestimmten aktuellen elektrischen Leistung P_{DC_ZG,act} der Laserquelle (3) der zugeordnete aktuelle Grundstrom I_{DC_ZG,act} unter Berücksichtigung des aktuellen Innenwiderstand R_{I_RG,act} berechnet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb die Messung der Konzentration des Zielgases (ZG) mit dem zuvor aus der Leistung P_{DC_RG,act}, der Leistungsdifferenz ΔP_DC,cal und dem Innenwiderstand R_{I_ZG,act} berechneten Grundstrom I_{DC_ZG,cal} durchgeführt und daraus die Gaskonzentration des Zielgases (ZG) in dem Messgas (2) ermittelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass beim Betrieb des Messsystems (1) Änderungen einer Grund-Lasertemperatur T_L,cal der Laserlichtquelle (3) durch Anpassung des Leistungsdifferenz ΔP_DC,cal berücksichtigt werden.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenwiderstand R_I (3b) der Laserlichtquelle (3) von Referenzgas und Zielgas aus der jeweiligen zum aktuellen Grundstrom I_{DC_RG,act} bzw. I_{DC_ZG,act} gehörenden Steigung einer Spannung-Strom-Kennlinie der Laserlichtquelle (3) bestimmt wird.

6. Messsystem (1) mit einer Wellenlängen abstimmbaren temperaturstabilisierten Laserlichtquelle (3) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einer Modulationseinrichtung (4) zur Bereitstellung des Grundstromes I_DC und eines Modulationsstromes I_AC für die Laserlichtquelle (3), einem Messgas (2) und einem Lichtdetektor (5) sowie einer mit dem Lichtdetektor (5) und der Modulationseinrichtung (4) verbundenen Auswerteeinheit (6), Mittel (9; 6) zur Erfassung der an der Laserlichtquelle anliegenden Spannung, Mittel (12, 6) zur Erfassung der Lasergrundtemperatur, Mittel (6) zur Ermittlung des Innenwiderstandes der Laserlichtquelle (3) sowie Mittel (10, 6) zur Steuerung der Grundströme I_DC für Referenzgas (RG) und Zielgas (ZG), wobei die Laserlichtquelle (3) einen Laserstrahl (7) mit einer Wellenlänge λ_DC mit einer Wellenlängen-Modulationsamplitude Δλ_AC emittiert und die Modulationseinrichtung (4) die Wellenlänge des Laserlichts der Laserlichtquelle (3) periodisch über die Absorptionslinie des Referenzgases (RG) und der Absorptionslinie des Zielgases (ZG) an einem Arbeitspunkt variiert und diese gleichzeitig mit einer Frequenz (f) und einer einstellbaren Amplitude moduliert, die Modulationseinrichtung (4) direkt mit der Laserlichtquelle (3) verbunden ist, der Lichtdetektor (5) den von der Laserlichtquelle (3) ausgehenden Laserstrahl (7) erfasst, nachdem dieser das Messgas (2) passiert hat, und ein Empfangssignal erzeugt, das von der Intensität des Laserlichtes nach dem Durchtritt durch das Messgas (2) abhängig ist, welches der Auswerteinheit (6) zugeführt wird, und wobei die Mittel (9; 6) zur Erfassung der an der Laserlichtquelle anliegenden Spannung, die Mittel (12, 6) zur Erfassung der Lasergrundtemperatur, die Mittel (6) zur Ermittlung des Innenwiderstandes der Laserlichtquelle (3) sowie die Mittel (10, 6) zur Steuerung der Grundströme I_DC für Referenzgas (RG) und Zielgas (ZG) zusammenwirken, um die an der Laserlichtquelle (3) anliegende Spannung zu erfassen und den Innenwiderstand zu bestimmen, und davon abhängig die Grundströme I_DC für Referenzgas (RG) und Zielgas (ZG) mittels der Modulationseinrichtung (4) zu steuern, um den Wellenlängenabstand zwischen Referenzgas (RG) und Zielgas (ZG) konstant zu halten.

Zeichnung